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高エネルギー原子核衝突実験とクォーク物質 筑波大学、物理、江角晋一
田村さん、大阪市立科学館発行 月刊「うちゅう」 2013年7月号より（画像の一部はNASAより。）
「中性子星核物質」研究会、平成25年12月28日、理研、和光
クォーク・グルーオン・プラズマ??
筑波大学 江角晋一
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宇宙の歴史 • 
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ビッグバン インフレーション QGP相転移 ビッグバン 軽元素合成 宇宙の晴れ上がり 超新星爆発 重元素合成 h+p://alice-­‐j.org/qgp.html
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クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）とは？
クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)
「中性子星核物質」研究会、平成25年12月28日、理研、和光
陽子、中性子、中間子等のハドロン
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バラバラに飛び
回るクォーク
ハドロンの質量の
理論的計算
エネルギー密度／（温度）４
ハドロン内に閉じ込め
られたクォーク
温度／相転移温度
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温度
ハドロン相 と クォーク・グルーオン・プラズマ相
LHC加速器
RHIC加速器
QGP相
臨界点
FAIR加速器
J-PARC加速器
ハドロン相
密度
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10GeV/核子
100GeV/核子
原子核衝突シミュレーション 核子衝突、ハドロン、カスケード計算
原子核A
高温・高密度状態
クォーク・グルーオン・プラズマ 原子核B
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スイス‐フランス国境のジュネーブ郊外、
欧州共同原子核研究機構（CERN）、
大型ハドロン衝突型加速器（ＬＨＣ）
を使ったアリス（ＡＬＩＣＥ）実験
アメリカ合衆国、ニューヨーク郊外、
ブルックヘブン国立研究所（BNL）、
超相対論的重イオン加速器（RHIC）
を使ったフェニックス（PHENIX）実験
スイスアルプス
レマン湖
ジュネーブ市街
ジュネーブ空港
セルン研究所
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CMS STAR 実験データ １衝突で数千
万の粒子生成
PHENIX 「中性子星核物質」研究会、平成25年12月28日、理研、和光
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コントロール・パラメーター １ 中心衝突度 Centrality
周辺衝突
中心衝突
前後方に出る
青色の矢印の量
衝突無し
中心付近から出る
赤色の矢印の量
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熱力学的凍結 kinetic thermal freeze-out
横方向運動量分布のハドロン質量依存性より
ハドロン間の弾性衝突の終わり
the end of elastic interactions
collective expansion
locally thermal
Teff = Tfo + 0.5 m 〈 v⊥ 〉 2
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化学的凍結 chemical freeze-out
粒子種、数、比の測定より
M. Kaneta and N. Xu,
J. Phys. G27 (2001) 589
ハドロン間での非弾性衝突の終わり
クォーク結合によるハドロン生成
核子結合による原子核生成
原子結合による分子生成 −−− 化学反応 −−−
Τch
µq
µs
γs
: Chemical freeze-out temperature
: light-quark chemical potential
: strangeness chemical potential
: strangeness saturation factor
Qi : 1 for u and d, -1 for u and d
si : 1 for s, -1 for s
gi : spin-isospin freedom
mi : particle mass
K2 : the second-order modified
Bessel function
Central
STAR Preliminary
130 GeV Au+Au
Simple chemical freeze-­‐out model remarkably well agrees with data. 「中性子星核物質」研究会、平成25年12月28日、理研、和光
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history of temperature
（温度の推移）
dN / dy
S
dN / dy
initial temperature
from the energy density (衝突初期)
S = ! r 2 = ! r02 A2 / 3
Gluon saturation scale:
Phase transition at
critical temperature (相転移)
QS "
dN /直接熱光子による
dy
" 1 GeV
2
! r温度測定 0.3~0.6GeV
TC
Chemical freeze-out
temperature (化学的凍結)
Tch
Thermal freeze-out
temperature（熱力学的凍結）
<β>
200
400
dNch/dη
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600
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温度
クォーク・グルーオン・プラズマ
初期宇宙 (QGP)
化学的凍結
相転移
熱力学的凍結
原子核内部
中性子星
密度
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コントロール・パラメーター ２ 反応平面 ReacUon Plane
y
φi
Φ2
x
PHENIX実験 反応平面検出器
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方位角異方性 (楕円的な流れ、粒子放出)
py
! = atan
py
px
px
y
z
"=
y2 # x2
v2 =
y2 + x2
x
空間的な異方性を起源とする。
px2 " py2
px2 + py2
粒子の放出方向を測定する。
!
!
-π
0
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π
φparticle-ΦR.P. (rad)
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バリオン
メソン
流体力学計算
粒子質量依存性
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クォーク数
による規格化
クォーク1個
あたりのv2
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クォーク相での楕円的膨張
とクォーク融合模型によるハドロン生成
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量子力学的2粒子干渉効果を
使ったQGP凍結時の大きさや
形状を測定する。
RT-side, RT-out vs (φ-Φ2), (φ-Φ3)
RT-sideoscill. < RT-outoscill. for n=2,3 (central)
pT1
side view size
qT-side : RT-side
pT2
depth + time duration
qT-out : RT-out
together with vn(pT)PID
fitting with Blast Wave
PHENIX Preliminary, QM12
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コントロール・パラメーター ３ 高いpT事象、ジェット生成 RAA , RCP
yield (A+A)
重イオン衝突内で起こ R AA = <Ncoll> yield (p+p)
り得る核子・核子散乱
は、衝突回数によりスケールする。 回数倍した陽子・陽子
yieldCentral / <Ncoll>Central
衝突データに対する重
イオン衝突データの比 R CP = yield
/ <N >
Peripheral
衝突に関与した核子数 （低いpT）
Npart : number of participant
participant scaling
coll Periheral
核子・核子衝突回数
x
Ncoll : number of binary collision
binary scaling
z
2x1=2
3x2=6
3x3=9
3x3=9
1x2=2
1x2=2
impact
parameter : b
12 + 11
total 30 collisions
total 23 participant nucleons
spectators
衝突傍観部
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phenix
Au + Au Experiment d + Au Experiment Au
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d
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jet p QGP中でのエネルギー損失
p γ
q
Au Au Phys. Rev. Le+. 91, 072304 (2003) central Au+Au
arXiv: 1208.2254
PRL109, 152302 (2012)
2粒子間の方位角差
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対称なジェット対
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非対称なジェット対
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CMS
表面放出により
エネルギー損失無し
失われたジェットのエネルギーはどこへ？
QGP通過により、
大きなエネルギー損失と、
分布形状の広がり
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2粒子ジェット相関とQGP形状の関係をみる。
- strong Φ2 dependence and left/right asymmetry (coupled with energy loss and flow)
- broad out-of-plane correlation enhanced more in central (redistribution and expansion)
- weak Φ3 dependence
mid-central 40-50%
central 0-10%
Φ2 Φ3 central 0-­‐10% PHENIX Preliminary, QM12
Au+Au 200GeV, hadron-hadron
pT : (2~4)Trig x (1~2)Asso (GeV/c)
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陽子・陽子衝突 ： 小さい系
LHC p-­‐p,p-­‐Pb RHIC d-­‐Au
高多重度衝突
LHC-CMS実験
(粒子数nが生成
される)衝突が
起きる確率分布
（粒子生成数、多重度）
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普通の衝突
陽子・陽子衝突
発生粒子数の多い衝突
π
LHC-CMS
0
2粒子間の
方位角差
2粒子間の
仰角差（η差）
ジェット２
ジェット１
ビーム軸
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リッジ構造
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陽子・原子核（鉛)衝突
原子核(鉛)・原子核（鉛)衝突
LHC-CMS
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原子核吸収係数RCP
と保存量分布形状
の衝突エネルギー
依存性
バリオン数（陽子−反陽子数）
分布の揺らぎが臨界点付近
で発散する予想
衝突エネルギーを下げると、
AGS→SPS→RHIC、増大から減少へ。
STAR Preliminary, QM12
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sPHENIX at RHIC-BNL
(New York, USA)
ALICE at LHC-CERN for Luminosity upgrade
(Geneva, Switzerland)
Di-jet calorimeter
Forward calorimeter
High-speed read-out
FAIR at GSI
(Darmstadt, Germany)
J-PARC at JAEA/KEK
for heavy-ion collisions
(Tokai, Japan)
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まとめ
相転移とその後の温度変化
集団運動、クォーク相楕円流
QGPによるジェット阻止能
エネルギー損失と再分配
高多重度の小さな系
衝突エネルギー走査
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